高端电流检测:差动放大器vs.电流检测放大器

作者：Henri Sino ADI公司

在电机控制、电磁阀控制以及电源管理（如直流-直流转换器与电池监控）等诸多应用中，高精度的高端电流检测都是必需的。在这种应用中，对高端电流而非回路电流进行监控，可以提高诊断能力，如确定对地短路电流以及连续监控回流二级管电流，避免使用取样电阻，能保持接地的完整性。图1、图2和图3分别给出电磁阀控制及电机控制的典型高端电流取样配置。

图1. 典型电磁阀控制中的高端检测

图2. 典型H桥电机控制中的高端检测

图3. 典型三相电机控制中的高端检测

在上述所有配置中，监控负载电流的取样电阻上的脉宽调制(PWM)共模电压在从地到电源的范围内摆动。利用从电源级到FET的控制信号可以确定这个PWM输入信号的周期、频率和上升/下降时间。因此，监控取样电阻上电压的差分测量电路要求极高共模电压抑制与高压处理能力，以及高增益、高精度和低失调——其目的是为了反映真实的负载电流值。

在使用单一控制FET的电磁阀控制(图1)中，电流始终沿同一方向流动，因此单向电流检测器就足够了。在电机控制配置(图2与图3)中，电机相位进行分流意味着取样电阻中的电流沿着两个方向流动，因此，需要双向电流检测器。

许多半导体供应商都为高端电流检测提供了多种方案，然后研究这类应用的设计工程师发现，这些方案都可以遵循两个截然不同的高压结构来进行分类：电流检测放大器和差动放大器。

接下来，我们将会详细介绍这两种架构的重要差异，以帮助高端电流检测设计工程师选择最适合应用的器件。我们将比较两个高压器件：AD8206双向差动放大器，AD8210双向电流检测放大器。这两个器件具有相同的引脚，都具备高端电流取样监控功能，但是其性能指标与架构却不同。那么，如何选择合适的器件呢？

它们如何工作
AD8206(图4)是一款集成的高压差动放大器, 通过内置输入电阻网络能够将输入电压削弱至1/16.7，使其能承受高达65 V的共模电压，以使共模电压保持在放大器A1的输入电压范围内。但是，其内部的输入电阻网络也会使差分信号以同样比例衰减。为了实现AD8206的20 V/V增益，放大器A1与A2必须将差分信号放大大约334 V/V。

图4. AD8206内部结构示意图

这个器件通过将输出放大器偏置到电源范围内的适当电压，来实现双向输入测量。电阻分压网络与放大器A2同向输入端连接，外部低阻抗电压施加到精密配置的电阻分压网络，来实现偏置。AD8206的一个优异特性是：当共模电压为-2 V（共模偏置则为250 mV，如图所示）时，它能够正确地放大差分输入电压。

AD8210(图5)是最近推出的一款高压电流检测放大器，功能与AD8210一样，并且引脚兼容。但是，AD8210的工作方式与差动放大器不同, 其性能指标也不同。

图5. AD8210功能示意图

一个明显的区别是输入结构不依靠电阻分压网络来处理高共模电压。输入放大器包括一个采用XFCB IC制作工艺制造的高压晶体管，由于此类晶体管的V_CE击穿电压超过65 V，因此输入端的共模电压可以高达65 V。

电流检测放大器如AD8210，采用如下方式放大小差分输入电压。输入端通过R1和R2与差动放大器相连。利用晶体管Q1和Q2，可以调整流过R1和R2的电流，从而使放大器A1输入端的电压为零。当AD8210的输入信号为0 V时，R1和R2中的电流相等。当差分信号非零时，其中一个电阻的电流增加，而另外一个电阻的电流下降。电流差与输入信号大小成比例，极性相同。流过Q1和Q2的差分电流由两个精密调整的电阻转换成以地为参考的差分电压。接着，放大器A2利用低压晶体管——由其5 V(典型值)电源供电——对该电压进行放大，实现最终输出增益达到20。

通常，只有输入共模电压保持在2 V或3 V以上时，这种架构的电流检测放大器才有用。不过，AD8210内部的上拉电路能使放大器A1的输入保持在5 V电源附近，即使输入共模电压下降到5 V以下,或低至–2 V。因此，在共模电压以及器件的5 V电源以下时，可以实现精确的差分输入电压测量。

显而易见，虽然电流检测放大器和差动放大器工作方式不同，却履行同样的功能。差动放大器将高输入电压衰减，使信号达到放大器可以接受的电平。电流检测放大器将差分输入电压转换为电流，然后再转换至以地为参考的电压；其输入放大器因采用高压制作工艺，能承受高共模电压，。毫无疑问，两个架构的不同将导致其性能差异，设计工程师在选择高端电流检测解决方案时必须考虑这些性能差异。通常，厂商的数据手册已提供了大部分信息，可根据精度、速度、功耗及其他参数对器件的类型做出正确判断。然后，器件架构内在的某些重大差异是无法在数据手册中立刻发现的